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切擊式水輪機(jī)

Pelton Turbine

沖擊式水輪機(jī)是利用高壓噴射水流的動能做功的水輪機(jī)，高水頭水庫的水通過壓力管道引到水輪機(jī)，高壓水經(jīng)過水輪機(jī)噴管成為高速射出的水流，沖向水輪機(jī)的水斗，使水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)做功。沖擊式水輪機(jī)主要有三種形式，切擊式水輪機(jī)、斜擊式水輪機(jī)、雙擊式水輪機(jī)，本欄目介紹用得較多的切擊式水輪機(jī)與斜擊式水輪機(jī)。

轉(zhuǎn)輪及工作原理

圖1是切擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪，左面是正視圖，右面是側(cè)視圖。轉(zhuǎn)輪由輪盤與多個水斗組成，故也叫水斗式水輪機(jī)。

切擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪

圖1--切擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪

圖2是水斗截面圖，從一個水斗的截面可看出水斗由兩個勺形體并列組成，水流噴射到兩個勺形體內(nèi)，推動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。

水斗截面圖

圖2--水斗截面圖

圖3是切擊式水輪機(jī)工作原理圖，高速水流通過噴嘴噴射向水斗，被水斗反射流出，水的動能推動水斗，實現(xiàn)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。藍(lán)色線示意噴頭噴射水流與轉(zhuǎn)輪反射出的水流。

切擊式水輪機(jī)工作原理

圖3--切擊式水輪機(jī)工作原理

圖4是水流噴射到水斗的流向圖，從噴嘴噴射出的高速水流射向水斗，被進(jìn)水邊分向兩側(cè)的工作面，由工作面反射出水斗。高速噴射水流經(jīng)水斗反射后把動能傳給水斗，推動水斗前進(jìn)。

水斗式水輪機(jī)水流噴射圖

圖4--水斗式水輪機(jī)水流噴射圖

噴射機(jī)構(gòu)

噴射機(jī)構(gòu)簡稱噴管，主要由噴嘴、噴針、噴針移動機(jī)構(gòu)組成。通過噴針在噴管內(nèi)的移動改變噴嘴出口大小，從而改變噴管出水流量以達(dá)到改變水輪機(jī)的功率。圖5是噴射機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中噴針向管內(nèi)退，噴嘴屬開啟狀態(tài)。

圖5--進(jìn)水管與噴頭結(jié)構(gòu)

噴針的移動由噴針移動機(jī)構(gòu)完成，圖中是手動控制噴針移動，轉(zhuǎn)動手輪即可移動噴針，改變噴嘴水流量；大型的水輪機(jī)則是用液壓或電動伺服機(jī)構(gòu)移動噴針，以上的移動機(jī)構(gòu)裝在管外，屬外控式噴射機(jī)構(gòu)。一種裝在噴管內(nèi)的噴射機(jī)構(gòu)沒有噴針桿通往管外，不需做彎管，給管路布置帶來許多方便，這里就不介紹了。

圖6左噴針在正常工作位置，水流射向水斗，圖6右是噴針向前移動頂住噴嘴口，噴嘴屬關(guān)閉狀態(tài)。

圖6—移動噴針控制水流量

下面介紹一下折向器，切擊式水輪機(jī)是高水頭水輪機(jī)，水頭范圍數(shù)百米至一千多米。從水庫通往水輪機(jī)的管道長達(dá)千米至數(shù)千米，這些管道要承受很大的水壓，特別是靠下方。如果發(fā)生電網(wǎng)故障跳閘，必須立即關(guān)閉水源停機(jī)，否則水輪機(jī)失去負(fù)荷導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速上升而損壞機(jī)組。由于管道長，管內(nèi)大量運動的水不可能迅速停止流動，如果迅速關(guān)閉管道會產(chǎn)生極大的水壓，嚴(yán)重危害壓力管道的安全。唯一的辦法是把噴向水輪的水轉(zhuǎn)向，使水不噴向水輪，而不是關(guān)斷水流。

在噴嘴前設(shè)置折向器是最簡單的辦法，在正常工作時折向器抬起，不影響噴嘴噴出的水流，水輪機(jī)正常運轉(zhuǎn)（圖7左），當(dāng)折向器打下時噴嘴噴出的水流被折向器阻擋折向下方出水處（圖7右），水輪機(jī)停止運行。折向器可在1至2秒內(nèi)轉(zhuǎn)向阻擋位置。

圖7--折向器工作原理

圖8是切擊式水輪機(jī)原理動畫截圖，綠色小圓珠示意轉(zhuǎn)輪前側(cè)反射出的水流，橙色小圓珠示意轉(zhuǎn)輪背側(cè)反射出的水流，噴管噴出的水流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，節(jié)圓是經(jīng)轉(zhuǎn)輪上噴射水流點的圓，故稱為切擊式水輪機(jī)。